(57)【要約】【課題】ＮｉＯ粒子を用いたショットピーニングにおいて鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成することで、鉄鋼材の耐腐食性を向上させること。【解決手段】鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、不活性ガスで置換されたチャンバ１１０と、チャンバ１１０内に配置され、基材Ｗを支持する支持部１２０と、支持部１２０の周囲に配置され、基材Ｗを加熱する誘導加熱コイル１３０と、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給して基材Ｗを誘導加熱する高周波印加部２００と、支持部１２０に向けてＮｉＯ粒子及び鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子が混合した投射材Ｐを噴射させる投射材噴射部１４１とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、
不活性ガスで置換されたチャンバと、
このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記ＮｉＯ粒子及び前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子噴射させる第１の投射材噴射部と、
前記ＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第２の投射材噴射部とを備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】
鉄鋼材表面に前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、
不活性ガスで置換されたチャンバと、
このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記鉄鋼材より硬い拡散促進粒子とを混合した投射材を複数回噴射させる投射材噴射部とを備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項３】
鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、
不活性ガスで置換されたチャンバと、
このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記ＮｉＯ粒子及び前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子噴射させる投射材噴射部とを備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項４】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記酸化ニッケル粒子と前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第１の噴射工程と、
前記ＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第２の噴射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【請求項５】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面に前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記鉄鋼材より硬い拡散促進粒子とを混合した投射材を前記鉄鋼材表面に複数回噴射させる噴射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【請求項６】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記酸化ニッケル粒子と前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する噴射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材を加熱しつつ投射材を噴射して鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置及び表面処理方法に関し、特に耐腐食性を向上させることができる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料はその使用環境、用途、求められる特性により様々なものが存在する．特に、ステンレス鋼は強度、耐食性ともに優れた材料であり、機械部品に要求される特性はある程度満たしているといえる．しかしながら、ステンレス鋼はレアメタルが合金元素として多量に添加されているため、炭素鋼と比較すると非常に高価である。このため、安価に供給される炭素鋼を母材として用い、その表層部のみに合金元素を拡散させ、材料特性が向上できれば、レアメタルの使用量を極限まで低下させることが可能となる。
【０００３】
このように表層部のみに合金元素を付与する方法の１つとして、鉄鋼材等の金属材からなる基材に微粒子の投射材を噴射して表面処理を施す方法が知られている。（例えば、特許文献１、２参照。）
投射材として、Ｃｒの他、Ｎｉが腐食の進展を抑制する効果があることが知られている。Ｎｉを鉄鋼材表面に拡散させるためには、ＮｉＯ粒子を用い、９００℃以上の高温下においてＮｉＯ粒子と基材のＦｅとの間で還元反応を生じさせ、ＮｉＯから解離したＮｉを基材に拡散させる技術が知られている。なお、Ｎｉが基材に拡散するか否かについては、ヒューム・ロザリーの法則によれば、溶質原子と溶媒原子の半径の差が１５％以内であれば、溶質原子が溶媒原子に対して置換型固溶体を形成しやすいことが知られている。溶媒原子をＦｅ、溶質原子をＮｉとすると、両者の原子半径の差は０．８１％であるため、Ｎｉは基材のＦｅに対する固溶体形成能に優れるといえる。以上から、９００℃以上においてＮｉＯはＦｅにより還元され、ＮｉＯから解離したＮｉは基材のＦｅに拡散するものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６３６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した基材の表面処理方法では、次のような問題があった。すなわち、実際にＮｉＯ粒子を投射した場合、時間や圧力を増大させても十分な厚さのＮｉ拡散層が形成されなかった。これは基材表面にＦｅ酸化層が形成されるためであると考えられる。Ｆｅ酸化層は脆く、不動態皮膜を形成しないため、所望の耐腐食性が得られなかった。
【０００６】
そこで本発明は、ＮｉＯ粒子を用いたショットピーニングにおいて鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成することで、鉄鋼材の耐腐食性を向上させることができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の表面処理装置及び表面処理方法は次のように構成されている。
【０００８】
鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、不活性ガスで置換されたチャンバと、このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記ＮｉＯ粒子及び前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子噴射させる第１の投射材噴射部と、前記ＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第２の投射材噴射部とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
鉄鋼材表面に前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、不活性ガスで置換されたチャンバと、このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記鉄鋼材より硬い拡散促進粒子とを混合した投射材を複数回噴射させる投射材噴射部とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理装置において、不活性ガスで置換されたチャンバと、このチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記ＮｉＯ粒子及び前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子噴射させる投射材噴射部とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記酸化ニッケル粒子と前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第１の噴射工程と、前記ＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する第２の噴射工程とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面に前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子と、前記鉄鋼材より硬い拡散促進粒子とを混合した投射材を前記鉄鋼材表面に複数回噴射させる噴射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【００１３】
チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成する表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記酸化ニッケル粒子と前記鉄鋼材より硬いＳＫＨ５９材粒子を前記鉄鋼材表面に噴射する噴射工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＮｉＯ粒子を用いたショットピーニングにおいて鉄鋼材表面にニッケルと鉄を含む金属拡散層を形成することで、鉄鋼材の耐腐食性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る表面処理方法より鉄鋼材表面に金属拡散層を形成する表面処理装置の構成を示す説明図。
【図２】同表面処理装置における制御方式１の時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図３】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【図４】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【図５】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【図６】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【図７】同表面処理装置における制御方式２の時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図８】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【図９】同表面処理装置における制御方式３の時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図１０】同表面処理装置において処理された基材の断面を模式的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００の概略構成を示す断面図である。表面処理装置１００は、基材Ｗを誘導加熱しつつ投射材Ｐ又は投射材Ｑを噴射して表面処理する装置である。ここで、基材Ｗとしては、鉄鋼材を対象としている。一方、投射材Ｐとしては、ＮｉＯ粒子及びＳＫＨ５９鋼の混合材、投射材Ｑとしては、ＳＫＨ５９鋼が用いられる。ＳＫＨ５９鋼は基材Ｗより硬く、かつ、不活性であり、Ｎｉが基材Ｗ中へ拡散することを促進する性質を有する粒子（拡散促進粒子）である。これらの平均粒径は数μｍ〜数百μｍに調整されている。
【００１７】
図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、基材Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材又は不活性ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部）１４０とが設けられている。
【００１８】
支持台１２０には、基材Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられている。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。
【００１９】
誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。
【００２０】
チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介してアルゴンガス（不活性ガス）を供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、アルゴンガスを吸引式の噴射圧で例えば、０．３ＭＰａ以上となるように制御する。
【００２１】
流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０，１５０Ａに接続されたフィーダライン１５１，１５１Ａに接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。フィーダライン１５１Ａには粒子フィーダ調整弁１５２Ａ〜１５４Ａが設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｑが供給されている。
【００２２】
高周波印加装置２００は、単一、或いは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、基材Ｗを誘導加熱する。
【００２３】
図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４，１５２Ａ〜１５４Ａ、基材Ｗの加熱、投射材Ｐ，Ｑの噴射速度・噴射量、アルゴンガスの噴射・噴射タイミング等を調整する。
【００２４】
なお、以下説明する図２，７，９において、ＦＰＰ（Ｐ）は投射材Ｐの投射、ＦＰＰ（Ｑ）は投射材Ｑの投射を示している。
【００２５】
本実施の形態における制御部３００では、制御方式１、制御方式２、制御方式３を行う。制御方式１では、図２に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材Ｐを投射圧力０．５ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、噴射停止・加熱のみ３０秒間した後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２６】
制御方式２では、図７に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材Ｐを投射圧力０．５ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。次に、噴射停止・加熱のみ３０秒間した後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させる。さらに、投射材Ｑを投射圧力０．５ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させる制御を行う。
【００２７】
制御方式３では、図９に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて基材Ｗを９００℃まで加熱させ、その後にノズル１４１から投射材Ｐを投射圧力０．５ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。次に、噴射停止・加熱のみ３０秒間した後、投射材Ｐを投射圧力０．５ＭＰａ、投射時間３０秒だけ噴射させるとともに基材Ｗが９００℃に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、噴射停止・加熱のみ３０秒間した後、ノズル１４１からアルゴンガスのみを噴射させて基材Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２８】
このように構成された表面処理装置１００は、上述した制御方式１，２，３の制御により動作する。最初に制御方式１について説明する。
【００２９】
制御方式１では、投射材Ｐについては、ＮｉＯ粒子とＳＫＨ５９鋼との混合比率を、ＮｉＯ粒子の比率を１００％（ＮｉＯ１００）、７５％（ＮｉＯ７５）、５０％（ＮｉＯ５０）、２５％（ＮｉＯ２５）と変えて、耐腐食性を比較した。この時、ＮｉＯ粒子の比率が２５％及び５０％のものが耐腐食性に優れることが判る。これに対し、ＮｉＯ粒子の比率が７５％〜１００％のものは、耐腐食性については劣っている。
【００３０】
一方、図３〜図６の断面を拡大した模式図に示すように、基材Ｗの断面は、ＮｉＯ粒子とＳＫＨ５９鋼との混合比率によって大きく変化する。図３に示すように、ＮｉＯ１００の場合、酸化鉄ＬＦが厚く形成され、その下にＮｉ拡散層ＬＭが形成されている。また、図４に示すように、ＮｉＯ７５の場合、酸化鉄ＬＦが薄くなり、その下に酸化鉄ＬＦとＮｉ拡散層ＬＭとが混在する層が形成されている。
【００３１】
ＮｉＯ１００及びＮｉＯ７５では、ＮｉＯがＦｅにより還元されると共に、酸化鉄が形成されることによるものと考えられる。
【００３２】
さらに、図５に示すように、ＮｉＯ５０の場合、酸化鉄ＬＦの量が少なくなる。さらにまた、図６に示すように、ＮｉＯ２５の場合、酸化鉄ＬＦの量がさらに少なくなり、Ｎｉ拡散層ＬＭの割合が大きくなる。これは、ＮｉＯ５０及びＮｉＯ２５では、硬質なＳＫＨ５９鋼の混合比率が高くなるため、酸化鉄の破壊が促進されたためである。
【００３３】
以上のことから、ＳＫＨ５９鋼の混合比率が高いほど、酸化鉄が減少することを明らかになった。これにより、ＳＫＨ５９鋼の混合比率を増すことで、Ｎｉの拡散が拡大し、耐腐食性が向上することがわかる。なお、ＮｉＯ２５であっても酸化鉄は残存する。
【００３４】
なお、投射材Ｐ及び投射材Ｑに用いられるＮｉＯ粒子及びＳＫＨ５９鋼については、これらの組み合わせに限定されるものではない。
【００３５】
ＮｉＯ粒子に代わるものとしては、前述したように、ヒューム・ロザリーの法則によれば、溶質原子と溶媒原子の半径の差が１５％以内であれば、溶質原子が溶媒原子に対して置換型固溶体を形成しやすいことが知られている。このため、溶媒原子をＦｅとすると、溶質原子は、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｖ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｏ等が拡散される。
【００３６】
この他、ヘッグの法則によれば、溶質原子が溶媒原子の半径の５９％以内であれば侵入型固溶体を形成することになるため、Ｎ，Ｃ等は拡散される。
【００３７】
一方、ＳＫＨ５９鋼に代わるものとしては、溶質原子の拡散を促進させるための粒子ということになることから、鉄鋼材表面の組織を微細化させさらに転位を多量に導入することのできる粒子であればよい。ＳＫＨ５９鋼のように基材である鉄鋼材よりも硬ければ適するため、具体的には，高速度工具鋼，超硬合金，炭化ケイ素，酸化チタン，アルミナ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，合金工具鋼，窒化ホウ素，ダイヤモンド，鋳鉄，スチールショット等が適用される。
【００３８】
制御方式２では、投射材Ｐ（ＮｉＯ２５）を投射した後、投射材Ｑを投射する。この場合、図８に示すように、表面の酸化鉄ＬＦはほとんど投射材Ｑにより除去された。したがって、上述したＮｉＯ２５よりもさらに耐腐食性が向上する。
【００３９】
制御方式３では、投射材Ｐ（ＮｉＯ２５）を投射した後、所定時間経過後に、同じように投射材Ｐ（ＮｉＯ２５）を投射する、いわゆる２段処理を行っている。図１０に示すように、Ｎｉ拡散層ＬＭの厚さが上述したＮｉＯ２５の倍以上となる。一方、酸化鉄ＬＦがＮｉ拡散層ＬＭに散在する。
【００４０】
これは次のような理由によるものと考えられる。すなわち、１回目の投射材Ｐの投射により、図６に示すようなＮｉ拡散層ＬＭが形成される。次に、２回目の投射材Ｐの投射に際し、基材Ｗの温度が上昇し、基材Ｗの変形抵抗が低下し、ＮｉＯ粒子の移着量が増加する。移着量の増加により、酸化鉄の形成が促進する。さらに基材Ｗの変形抵抗が低下したことにより、基材Ｗの塑性変形量が増加し、その結果、除去しきれなかった酸化鉄ＬＦがＮｉ拡散層ＬＭ内部に巻き込まれることになった。
【００４１】
制御方式３では、Ｎｉ拡散層ＬＭの厚さが格段に大きくなったことにより、上述したＮｉＯ２５よりもさらに耐腐食性が向上する。
【００４２】
なお、上述した制御方式３では、投射材Ｐの投射を２回行っているが、３回以上行ってもよい。この場合、さらにＮｉ拡散層ＬＭがさらに厚くなる。
【００４３】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４４】
１００…表面処理装置、１１０…チャンバ、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１，１５１Ａ…フィーダライン、１５２〜１５４，１５２Ａ〜１５４Ａ…粒子フィーダ調整弁、１６０…ガスボンベ、１６１…流量弁・圧力調整弁、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…基材、Ｐ…投射材（ＮｉＯ粒子＋ＳＫＨ５９鋼）、Ｑ…投射材（ＳＫＨ５９鋼）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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